Fusione Laser Selettiva: come ottenere la migliore resistenza a fatica

Fusione Laser Selettiva: come ottenere la migliore resistenza a fatica

In questo articolo, vi parlerò dell’Additive Manufacturing e nella fattispecie del Selective Laser Melting (SLM). In particolar modo, il tema si incentrerà sul ruolo che assumono i trattamenti termici in vuoto nel produrre componenti di alta affidabilità, contraddistinti cioè da una migliore qualità del materiale e da un'ottimale resistenza a fatica.

Concluderemo esponendo gli interessanti risultati sperimentali ottenuti in laboratorio, grazie ad una proficua collaborazione con l’Università di Parma.

La tecnologia AM

Partire da un file digitale e stampare in 3 dimensioni oggetti in metallo non è più una tecnologia da romanzo di fantascienza, bensì una realtà possibile con la Manifattura Additiva o Additive Manufacturing.

Partendo da un progetto 3D, è possibile realizzare componenti in metallo dalla notevole resistenza meccanica da poter impiegare in variegati settori, da quello medico a quello aerospaziale. Grazie alle Fusione Laser Selettiva (SLM), la creazione avviene utilizzando un letto di polvere e una sorgente laser ad alta potenza, il tutto controllato in tempo reale da un computer.

Il ruolo del forno a vuoto nella Manifattura Additiva

Uno degli strumenti per far sì che con questa tecnologia si possano realizzare componenti funzionali all'applicazione concreta sono i forni a vuoto; dopo il processo di produzione additiva infatti, sono fondamentali dei trattamenti termici o dei trattamenti di finitura meccanica superficiale.

I forni a vuoto sono essenziali quindi per i trattamenti post processo e sono adatti per la lavorazione di svariati materiali, come gli acciai inossidabili, le superleghe di titanio, le leghe cobalto-cromo e le superleghe di nichel.

Perché trattare termicamente sottovuoto?

I prodotti realizzati mediante la stampa 3D sono semifiniti, nel senso che la fusione selettiva (SLM) rende un tasso di produzione inferiore rispetto ad altre tecnologie convenzionali, facendo sì che, con meno materiale, si possa ottenere una componente più dettagliata e con forme più complesse, che altrimenti sarebbe quasi impossibile da ottenere.

Il passaggio all'interno di un forno in vuoto quindi appare di notevole importanza, in quanto si contraddistingue dall'assenza di ossigeno e di apposite pompe di diffusione che, mediante il controllo preciso della temperatura, determinano le condizioni di vuoto desiderate. La mancanza di ossigeno si rivela fondamentale per le applicazioni di tipo medicale e aerospaziale, per le quali si deve assolutamente evitare la contaminazione da ossidi.

I trattamenti termici sottovuoto sono diversi a seconda delle tecnologie additive considerate.
Nello specifico, i trattamenti termici di debiding e sintetizzazione sono indicati per le tecnologie di Fused Filament Fabrication (FFF) e di Binder Jetting, mentre i trattamenti di stress relieving e/o di solubilizzazione sono effettuati per la tecnologia di Selective Laser Melting (SLM).

Cosa rende un forno in vuoto ideale per trattare i semifiniti?
Continua nella lettura e scopri quali sono le 3 criticità da tenere sotto controllo nel Selective Laser Melting.

Additive manufacturing: risultati di laboratorio

Al fine di rendere la ricerca sui trattamenti termici più efficace, abbiamo allestito un apposito laboratorio nel quale è stato installato un forno a vuoto H3 all metal e con il quale sono state effettuate diverse tipologie di collaudi (hardening, stress relieving, annealing, sintering, tempering, ecc.). Inoltre, nello stesso laboratorio è stata posizionata anche una macchina per la deposizione di coating PVD a catodi rotanti per una migliore finitura superficiale dei campioni realizzati mediante le tecnologie additive.

I risultati ottenuti dalle analisi effettuate nel laboratorio da TAV erano finalizzati a:

  1. ottenere un know‑how nell'ambito dei trattamenti in vuoto e nella produzione dei relativi forni per supportare aziende, università e centri di ricerca;
  2. prendere parte a partenariati e progetti di ricerca per lo sviluppo di queste e altre tecnologie emergenti;
  3. redigere e pubblicare testi informativi di tipo scientifico.

La collaborazione con l'Università di Parma

Una delle attività più recenti messe a punto da TAV VACUUM FURNACES è una collaborazione con l'Università di Parma in merito al tema della resistenza a fatica ottimale dei provini realizzati con la tecnologia SLM. La fatica è uno dei parametri più significativi nonché più complessi delle componenti industriali; in ambito aeronautico infatti, la fatica si annovera come la causa di un'alta percentuale di rotture ed è per questo motivo che il focus dello studio si è incentrato su di essa in particolar modo.

Gli obiettivi della collaborazione sono stati i seguenti:

  • determinare il comportamento di resistenza a fatica ad alto numero di giri su campioni realizzati con tecnologia AM;
  • valutare gli effetti del trattamento termico in vuoto sulla resistenza a fatica delle componenti SLM;
  • considerare l'impatto dell'anisotropia dei componenti SLM sulla resistenza a fatica.

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Resistenza a fatica delle componenti

Quello dell'Additive Manufacturing SLM è un processo che presenta tre criticità fondamentali, che riguardano:

  • la qualità del materiale in termini di microstrutture metallografiche;
  • la rugosità della superficie;
  • i residui del processo presenti sul componente finale.

Per ottenere i risultati sperimentali che tra poco vi mostrerò, sono stati utilizzati dei provini in superlega alfa/beta di titanio (Ti-6Al-4V). La scelta di questo materiale non è stata casuale; si tratta di una lega particolarmente leggera, ma resistente alla corrosione e alle alte temperature. Queste caratteristiche la rendono il materiale più idoneo per le applicazioni di ingegneria in campo automobilistico, aerospaziale e biomedico.

La ricerca è stata portata avanti mediante l'utilizzo di campioni standard con diverse finiture meccaniche e in un secondo momento, questi sono stati sottoposti a test in flessione rotante per la misurazione della resistenza a fatica.

Esaminando il grafico sottostante, potete notare come all'aumentare della finitura meccanica superficiale risulti aumentata anche la resistenza a fatica.

Le due curve del medesimo colore indicano che, a parità di finitura superficiale, i due campioni standard sono stati accresciuti in due direzioni ortogonali diverse rispetto al piano su cui è stato costruito il pezzo; i provini quindi hanno assunto un differente comportamento a seconda della direzione di crescita e ciò dimostra la rilevanza della caratteristica anisotropica intrinseca della tecnologia SLM.

Resistenza alla fatica

Nel secondo grafico, potete notare l'effetto del trattamento termico su alcuni campioni, indicati con curve in colore rosso. L'andamento delle curve dimostra che i provini trattati termicamente presentano un comportamento migliore in termini di resistenza a fatica, rispetto a quelli non trattati. 

Resistenza alla fatica

Conclusioni

La Manifattura Additiva è innegabilmente la tecnologia emergente nel campo dell'ingegneria. La realizzazione di componenti destinate a settori strategici necessita di processi e macchinari che rendano un prodotto finito e che sia in grado di sopportare gli stress derivanti dall'applicazione sul campo.

Abbiamo dimostrato in laboratorio che i forni a vuoto rappresentano uno strumento altamente funzionale per attuare post processi di trattamento termico in sede di Selective Laser Melting: il passaggio all'interno dei forni a vuoto determina dei miglioramenti nella microstruttura del materiale in termini di detensionamento, comportamento isotropico e rugosità superficiale.

Se siete interessati ad approfondire ulteriormente, vi invito al leggere l’articolo del Prof. Nicoletto del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Parma: Manifattura additiva del metallo e trattamenti termici in vuoto.

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